【摘要】：當(dāng)前,隨著微波技術(shù)的蓬勃發(fā)展,雷達(dá)頻率與帶寬得以不斷提高,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。毫米波調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷達(dá)憑借其集成度高、成本低廉,能以較低采樣率實現(xiàn)大瞬時帶寬等優(yōu)點,能夠良好地遂行無人機(jī)監(jiān)測與識別、機(jī)場跑道異物檢測、非接觸式安檢等任務(wù),這使得毫米波FMCW雷達(dá)成為當(dāng)前的研究熱點。本文針對小型目標(biāo)的高分辨成像,提出了一種Ka波段全相參FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計方法,解決了FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中常見的周期調(diào)頻非線性問題,構(gòu)建了基于單片集成電路與固態(tài)器件相結(jié)合的雷達(dá)射頻前端和基于FPGA的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),研制了FMCW雷達(dá)成像軟件。論文的主要工作和成果如下:1、研究了調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)鋸齒調(diào)頻測距原理;根據(jù)實際應(yīng)用中在探測距離以及分辨率方面的需求,進(jìn)行了系統(tǒng)硬件指標(biāo)選擇;針對系統(tǒng)對于小型化的要求,采用了X波段基帶與4倍頻相結(jié)合的信號產(chǎn)生方式以及零中頻接收體制;鑒于系統(tǒng)時序控制精度要求極高,構(gòu)建了FPGA為核心的控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于雷達(dá)信號相參處理可獲得更高的積累效果,提高對弱目標(biāo)的探測能力,因此從模擬相參與數(shù)字相參兩個方面,著重進(jìn)行了分析與設(shè)計。2、將Ka波段FMCW雷達(dá)系統(tǒng)分為若干個子模塊,并進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計與實現(xiàn)。首先,為了產(chǎn)生高質(zhì)量寬帶射頻信號,本文采用了基于鎖相環(huán)的高性能X波段基帶信號產(chǎn)生以及4倍頻濾波的Ka波段寬帶信號產(chǎn)生方式。然后,對于接收機(jī)電路,設(shè)計了對系統(tǒng)采樣率要求更低的零中頻接收結(jié)構(gòu),并引入了頻率增益調(diào)理電路,以解決雷達(dá)遠(yuǎn)距離回波易被量化噪聲淹沒的問題。接著,為保證信號采集精度和傳輸質(zhì)量,對可控增益放大器、A/D采集、FPGA信號處理以及網(wǎng)口傳輸電路進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計。最后,根據(jù)系統(tǒng)對于相參性的總體要求,采用了穩(wěn)定且便于同步的時鐘電路,同時為降低數(shù)字、模擬供電的相互干擾,對系統(tǒng)供電電路進(jìn)行了優(yōu)化。硬件系統(tǒng)測試結(jié)果表明,系統(tǒng)在Ka波段34.4-39.2GHz的掃頻范圍內(nèi),可以達(dá)到信號相噪小于-84.79dBc/Hz@10kHz、雜散優(yōu)于52dBc的良好指標(biāo);在對頻率80kHz、功率約-90dBm的微弱中頻信號放大、采集和傳輸上,能夠得到接近理論值的實驗結(jié)果。3、針對雷達(dá)回波中周期非線性調(diào)頻造成距離像惡化的問題,剖析了成對回波的產(chǎn)生原因及空變特性,提出了基于匹配初值與非線性最小二乘相結(jié)合的多分量正弦調(diào)頻參數(shù)估計方法,并利用匹配傅里葉變換對信號進(jìn)行了非線性校正,顯著提高了距離向壓縮質(zhì)量。在雷達(dá)脈沖相參性良好的基礎(chǔ)上,運用?k成像算法對角反射器、銅柱、航母模型進(jìn)行了高分辨合成孔徑雷達(dá)成像,獲得了距離分辨率優(yōu)于4.24cm、方位分辨率優(yōu)于0.95cm的優(yōu)良性能,初步達(dá)到了對小型目標(biāo)高分辨成像的系統(tǒng)設(shè)計目的。
【圖文】：

[18]，并在馬賽的大型風(fēng)波槽中進(jìn)行了雷達(dá)實驗，以測試近絕對后向散射雷達(dá)橫截面的組合表面和散射模型，并調(diào)整了經(jīng)典海洋散射模型，系統(tǒng)測試場景如圖1所示。圖 1 海洋散射特性測量場景圖2016 年，印度的應(yīng)用微波電子工程與研究協(xié)會（SAMEER）研制成功一套 Ka 波段氣象雷達(dá)[19]，旨在對不同的云類型（細(xì)雨，沉淀，混合相，，冰云和非氣象目標(biāo)）進(jìn)行分類，系統(tǒng)參數(shù)如圖 2(a)所示。對實際案例各種參數(shù)的分析表明，可以基本識別不同云類型，圖2(b)為混合相（冰與水的組合）降水云的成像分析結(jié)果。(a)SAMEER Ka 波段氣象雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù) (b)降水云分析結(jié)果圖 2 SAMEER Ka 波段氣象雷達(dá)系統(tǒng)2017 年，德國阿米爾卡比爾理工大學(xué)的 Seyed Mohammad Ali Tayaranian Hosseini 等人研制成功一種能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測呼吸頻率，心率（HR）和心率變異性（HRV）的新型 Ka 波段多普勒雷達(dá)[20]，系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。利用 Ka 波段雷達(dá)高靈敏度在胸壁運動領(lǐng)域的優(yōu)勢，可以從低質(zhì)量的接收信號中更準(zhǔn)確地重建心肺活動。

(a)SAMEER Ka 波段氣象雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù) (b)降水云分析結(jié)果圖 2 SAMEER Ka 波段氣象雷達(dá)系統(tǒng)2017 年，德國阿米爾卡比爾理工大學(xué)的 Seyed Mohammad Ali Tayaranian Hosseini 等人制成功一種能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測呼吸頻率，心率（HR）和心率變異性（HRV）的新型 Ka 波段普勒雷達(dá)[20]，系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。利用 Ka 波段雷達(dá)高靈敏度在胸壁運動領(lǐng)域的優(yōu)勢，
【學(xué)位授予單位】：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN957.51

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2678393